Внедрение: 2019 г.

Работа [1] посвящена изучению крупномасштабного двойного прецессирующего вихря, возникающего в двухфазном потоке в проточном гидродинамическом вихревом реакторе тангенциального типа.

Эксперимент проводился на замкнутом гидродинамическом контуре с фиксированными значениями входных параметров (расход и параметр крутки). С помощью центробежного насоса из накопительного резервуара вода по распределительной системе труб подавалась в вихревую камеру. С боков в цилиндрический участок (рисунок 1) вмонтированы 12 тангенциально направленных прямоугольных прямоточных сопел, объединенных по 3 штуки в 4 угловых блока. Подобная конфигурация позволяет создавать симметричные входные граничные условия для закрученного потока, а также с большой точностью регулировать и изменять конструктивный параметр крутки. Расход жидкости измерялся ультразвуковым расходомером. Рабочий участок представляет собой тонкостенный цилиндрический канал, изготовленный из прозрачного полиметилметакрилата, помещенный во внешний контейнер, заполненный водой, что позволяет значительно уменьшить оптические аберрации при использовании бесконтактных методов диагностики потока (ЛДА, PIV).

Режим течения в вихревом реакторе с тангенциальным типом закрутки можно охарактеризовать двумя основными параметрами: числом Рейнольдса (Re) и параметром крутки потока (S). Максимальное значение параметра крутки S достигается, когда все сопла повернуты под максимальным углом к вертикальной оси. Именно в этом режиме для широкого диапазона чисел Re формируется двойная прецессирующая вихревая спираль.

Рисунок 1. Схема экспериментального стенда (стрелками обозначено направление движения потока).

Скорость в потоке измерялась методом лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА). В проводимых исследованиях была использована разработанная в ИТ СО РАН двухкомпонентная система ЛДА – «ЛАД 06‑и» на базе полупроводникового лазера Mitsubisi ML1013R. Анемометр был установлен на автоматическое координатно-перемещающее устройство (КПУ). В качестве трассеров использовались частицы, позволяющие минимизировать эффекты плавучести и присутствия в потоке твердой фазы. Измерение пульсаций давления в потоке осуществлялось с помощью пьезоэлектрических датчиков давления, которые были вмонтированы в стенки в верхней части цилиндрического участка. Датчики были подключены к усилителю заряда, который, в свою очередь, был подключен к АЦП L‑Card E14‑440. Сигнал с АЦП поступал на компьютер и записывался посредством программы LGraph. Последующий анализ и обработка сигналов осуществлялись в программе OriginPro.

При максимальной закрутке потока, которая соответствовала максимальному углу поворота тангенциальных сопел, в рабочем участке формируется устойчивая прецессирующая двойная спираль, простирающаяся по всей длине рабочего участка от нижней торцевой стенки до выходной секции (рисунок 2).

Рисунок 2. Прецессирующая двойная вихревая спираль.

Авторами обнаружен эффект стабилизации и объединения двойной спирали в одиночный квазистационарный колоннообразный вихрь путем инжекции газовой фазы в поток (рисунок 3).

Рисунок 3. Колоннообразный вихрь, образующийся после инжекции воздуха.

Рисунок 4. Профили аксиальной и тангенциальной скорости с добавлением воздуха (режим с одинарным вихрем) и без него (двойной вихрь), обезразмеренные на среднерасходную скорость.

Интересным представляется изменение пульсаций давления на стенке вихревого реактора в момент инжекции воздуха. Реализация сигнала с датчиков представлена на рисунке 5 (амплитуда пульсаций ортонормирована на максимальное значение в сигнале).

Рисунок 5. Реализация сигнала давления вблизи выхода из цилиндрического участка при подаче воздуха.

Из рисунка 5 видно, что до момента инжекции воздуха двойная прецессирующая вихревая спираль генерирует на стенке периодический сигнал, частота пульсаций которого равна удвоенной частоте вращения двойной спирали как целого. При подаче воздуха, как это видно из визуализации на рисунке 3, происходит объединение двух вихрей в одну колоннообразную вихревую структуру, качественно похожую на вихревой торнадо.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18‑38‑00732 мол_а.

Источник:
Дремов С.В., Скрипкин С.Г., Шторк С.И. Смена винтовых мод возмущений закрученного течения жидкости при подаче дисперсной газовой фазы // Сибирский физический журнал. – 2019. – Т. 14, № 1. – С. 40‑50.

Разработчик: Дремов С.В., Скрипкин С.Г., Шторк С.И. (Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск)